JPH07113123B2

JPH07113123B2 - 溶融金属の噴霧方法及び装置

Info

Publication number: JPH07113123B2
Application number: JP1508088A
Authority: JP
Inventors: オブライエンホブソン，デビッド; アレクセフ，アイガー; クマーシカ，ビノド
Original assignee: MAACHIN MARIETSUTA ENAJII SHISUTEMUZU Inc
Current assignee: MAACHIN MARIETSUTA ENAJII SHISUTEMUZU Inc
Priority date: 1988-07-19
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1995-12-06
Anticipated expiration: 2010-12-06
Also published as: EP0378673A4; EP0378673A1; JPH03500424A; US4919335A; CA1331438C; WO1990000936A1

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、溶融金属を分散させて微細な微粒子状小滴に
する方法に関し、詳しくは、溶融金属に電流及び磁界を
同時に加えて溶融金属を小滴に細分化させることに関す
る。米国政府は、米国エネルギ省による契約第DE−AC05
−840R21400号に基づき本発明の権利を有する。

従来の技術近年、流動体あるいは半流動体を噴霧し、冷却した基材
上に衝突させて造られる、金属シート及び金属板の堆積
及び生成につき多大の商業的関心が持たれてきた。噴霧
した溶融金属の流れを急速に凝固させることにより、特
性及び構造上極めて魅力的な組合せが得られる。現在の
堆積法は、下降中の液状金属流を微細小滴に細分化する
ために高圧の不活性ガス噴流を用い、同時にこれらの小
滴を下向きに加速させることを含む。金属の噴霧堆積法
としては現在幾つかの技術がある。『Ospray法』として
知られる慣用法、『制御噴霧堆積法』及び『動的液体圧
縮法（LDC）』等がある。これらの技術では、溶融金属
の噴霧化にはすべて高圧ガスを用いる。

前述の方法の他に、酸化、腐食、磨耗、浸蝕、衝撃及び
磨滅に対する耐性被膜を付けるために、熱噴霧も広く用
いられる。熱噴霧は、金属被膜を堆積させるために用い
る一連の方法に対する一般的な用語である。時には蒸着
（メタライジング）として知られるこれらの方法は、火
炎噴霧、プラズアアーク噴霧、及び電気アーク噴霧から
成る。概して被膜は、棒状又は線状素材若しくは粉末材
料を用いて噴霧される。棒状又は線状素材を火炎又はプ
ラズマ中に供給して溶融する。その後溶融した素材を棒
又は線状体から剥離させ、基材上に素材を推進させる、
圧縮ガスの高速噴流により噴霧化させる。

発明が解決しようとする課題上述のような従来の方法における主要な問題は、通常溶
融した金属を噴霧するのに高圧圧縮ガスを用いることで
ある。溶融金属の流れを微粒子に細分化させるのに用い
るこのガス衝突は、溶融金属の汚染を避けるためにしば
しば不活性ガスの使用を必要とする。不活性ガスは高価
で、工程費が増し、結果的に製品原価が増加する。従来
の方法では、溶融金属を噴霧するために高圧又は高圧縮
ガスの使用を要するために、高真空溶融及び鋳造工程を
共に用いることができないという点で制約がある。さら
に、例えば金属噴霧を行うために噴出口からの高圧ガス
を用いる場合には、衝突する不活性ガスの一部が溶融金
属の小滴中に取り込まれる。

従って、本発明の目的は、微粒子状の溶融金属噴霧を生
成するための改良された方法及び装置を提供することで
ある。

本発明の別の目的は、高圧又は高圧縮ガスを用いること
なく基材上に溶融金属粒子の噴霧を推進させるための方
法及び装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、真空中で溶融金属を噴霧す
る方法及び装置を提供することである。

本明細書及び添付した請求の範囲をさらに検討すること
により、当業者には本発明のその他の目的及び利点が明
かとなるであろう。

課題を解決するための手段本発明は、溶融金属を通して直流電流を流すと同時に、
溶融金属を電流に対して直角方向に設ける磁界にさらす
ことにより発生する、磁気流体（MFD）力を用いる。要
約すれば、本発明は、１）溶融金属を供給し、２）溶融
金属を通して電流を流し、その中に電流容量（current
carrying volume）を生成させ、３）同時に、溶融金属
の電流容量を加速させるように電流に対して垂直な平面
内で磁界を加え、それによって溶融金属を微粒子状の小
滴に細分化させることから成る、微粒子溶融金属噴霧を
提供するための方法及び装置を包含する。

本発明は、磁界を通して垂直方向に直流電流を流すこと
により生じる磁気流体（MFD）力を用いる。溶融金属を
噴霧化させる、磁気流体力の範囲内で溶融金属を供給す
る。その結果生じる溶融金属小滴は、磁気流体力により
電流及び磁界の双方に対して垂直方向に沿って適切な基
材上に推進される。第１図は、電流Ｊ、磁束Ｂライン及
び溶融金属を推進する力Ｆの方向間の関係を示す。

本発明の作動上の基本的な機構は以下の通りである。磁
界は、磁界内で導体中を運動する電子に力（ローレン
力）を付与する。この力は、導体に作用する堆積力（bo
dy force）と見られ、常に磁束方向及び電流の流れの方
向を含む面に直角である。力の大きさは、下式の通りで
ある。

（N/m³）＝（Wb/m²）Ｘ（A/m²）ここで、は導体1m³当りのニュートンで表す力は1m²当りのウエーバで表す磁束は1m²当りのアンペアで表す電流である。

溶融金属は、MFD力以内における溶融金属の流れとして
提供し得るか、又はMFD力以内におけるアーク溶融領域
に供給される線材（ワイヤ）から提供し得る。MFD力
は、溶融金属を通して電流を流すと同時に溶融金属を磁
石間面に置くことにより得られる。電流は、20−100ア
ンペアを用いることができるが、必要に応じて他の電流
値も用いられる。磁石は、電流の流れに対して直角方向
に約１テラス（kG）の磁束を生成し得るが、必要に応じ
て他の磁束値も用いられる。位相関係に適切な注意を払
うならば、磁石及び溶融金属に交流電流を用いることも
できる。

溶融金属の流れを用いるときは、溶融金属が２つの電極
に接触するようにノズルを通過させる。これによって、
ノズルにおいて溶融金属流を横切る電流を導く。溶融金
属がノズルを通過すると同時に、ノズルは磁石の磁極間
に位置する。これにより電流に対して90゜の磁界を導
く。電流と直角に設ける磁界とのこの組合せにより、液
状金属の電流容量で力を生成させる。

実施例本発明の方法を例示する装置を第2A図に示す。本発明の
方法及び装置においては、溶融金属の流れがノズルを通
って流れる。第2A図の装置においては、ノズルは傾斜し
た開口端を有し、例えば銅製の、２つの供給管１、１′
を備える。２つの供給管１、１′は、傾斜開口端を互い
に相対して配置し、両端間に間隙２を形成するようにす
る。一般に溶融金属を、両管から間隙２へ流入する。直
流電流３は、直流電流が間隙２において溶融金属を通し
て流れるように、少なくとも管１、１′の一部を通して
流す。間隙２を磁石の磁極面間に配置して、磁束が間隙
２における溶融金属内の電流と相互作用するようにす
る。第2A図に示す配置においては、第2D図に示すよう
に、一方の磁極４を間隙２の前方に置き、他方の磁極
４′を間隙２の後方に置き、これらの磁極から生じる磁
束が電流の方向と垂直になるようにする。電流及び磁束
のこのような交差は、間隙２で露出する溶融金属上に急
な加速力５をもたらす。溶融金属塊の先頭端は、第2B図
に示すように、溶融金属の繊条６を残余の金属塊から分
離させるような率で加速すると見られる。

繊条を通して流れる直流電流は、繊条の回りに磁束線を
誘発し（右手の法則）、線条が環状アークを形成するに
つれてそれを安定化させる。この時点においては、各繊
条は放射状に加速しつつある。第2C図に示すように、最
終的に繊条は細分化し、その結果生じた溶融金属の小滴
７は、磁石面を中心として磁極面に平行な平面上におい
て放射状に放出される。冷却した基材（図示せず）をこ
の平面に垂直に配置し、溶融金属の小滴を収集させ、基
材を被覆させるようにする。繊状の細分化にはそれぞれ
アークを伴う。アーク発生の頻度から判断すると、繊状
は事実上連続的に形成されると見られる。

電極の配置及び金属の供給については、幾つかの異なっ
た可能性が存在する。第３図は、上首尾で使用してきた
別のノズル構成を示す。供給管８は、セラミックブロッ
ク９を貫通し、銅電極（カソード）10内に機械加工され
た先細の室に連通する。この電極は、所望の大きさの間
隙12を形成するように、第２の電極（アノード）11から
特定の距離だけ離れている。電極11は、電流に起因する
電子衝撃のために水冷13する。噴霧装置全体は、前述の
ものと同様に直流電磁石の磁極間に置く。操作に当って
は、溶融金属は、供給管８に導入され、カソード10内の
先細室を経た後隙間12に達し、そこで電気回路を完成し
て銅翼14間で下方に加速される。銅翼は細分化するまで
繊条を安定化させる。

前述の通り、直流電流と磁界との組合せ及び交差によ
り、溶融金属を間隙の外へ加速させる。

本発明は、熱噴霧機構を用いることもできる。通常の電
気アーク装置を第４図に示す。この装置は、絶縁ハウジ
ング20、ワイヤガイド27等を含む。同装置では、ワイヤ
26、26′をアーク点22に供給し、そこで溶融金属は、ノ
ズル21からの高圧空気により剥離される。高圧ガスは、
供給口28からノズル21に供給される。溶融金属は、基材
23上に堆積し、噴霧材料層29を形成する。噴霧された溶
融金属は、基材から剥離して通常の金属加工手法を用い
て加工することができる。ワイヤの供給は、アークを横
切る電圧降下で作動するサーボ機構（第５図30、30′）
又は当業者に周知の他の方法により制御することを前提
とする。

本発明の重要な特徴は、従来技術のように噴霧化のため
に圧縮ガスを用いることを要せずに、基材上に堆積させ
るために溶融金属粒子を基材に向けて推進させる装置を
用いることである。これは第５図に示す通りで、第４図
と同一記号及びワイヤ供給機構につき同一の基本構造な
らびに前提条件を用いる。第５図では、ワイヤ26、26′
は、磁石の極面間に設けるアーク点に供給される。第５
図は、アーク点22の後方に位置する、磁石の一極面24を
示す。磁石の他の面は、極面24と相対してアーク点22の
前方に位置する。直流電流は一方向に流れ、一方のワイ
ヤ26を経てアーク間隙22に流入し、他方のワイヤ26′を
経てを流出する。アークは、直流電磁石又は永久磁石24
の面間で生成され、第１図に示すように、電流Ｊと磁束
Ｂとは直角で交差し、溶融金属は力Ｆの方向に推進され
る。

所望の堆積層特性に応じて、粒子は完全に液化させるか
若しくは部分的に固体化させた状態で基材に衝突させる
ことができる。これらの物理的状態は、飛翔経路の長
さ、不活性冷却ガス又はアーク強度の変化により制御で
きる。飛翔における粒子の固体化量の選択は、堆積され
る材料及び堆積層自体に要求される構造に依存する。

第2A図、第３図及び第５図に示すように、本発明によれ
ば、多様な設計の装置及びノズルを用いることによっ
て、MHD加速力を生成させ、その力によって結果的に生
じる金属粉末を製造することができる。第2A図及び第３
図の装置において、高融点の金属及び合金を供給材料と
して用いる場合には、ノズルの材質をセラミック、水冷
銅等に変更できる。全セラミック製ノズルの場合には、
加速間隙に電流を流すために溶融金属自体を用いるか若
しくは、さもなでれば、TiB₂のような導電性セラミック
を電極として用いることができる。

例１−５市販噴霧装置との比較第３図に示すノズル設計により低融点合金を用いた幾つ
かの例を実施した。例１−５における実験番号17、20、
21、25、26では、約1000℃の融点を有するビスマス・鉛
・スズ合金（50重量％Bi、30重量％Pb、20重量％Sn）を
用いた。これらの例を第６図の２つの市販噴霧法と比較
した。噴霧化粉末は、前述の圧縮ガス法で生成し、回転
・電極・噴霧化粉末は、回転供給素材棒の先端に衝突し
てこれを溶融させるアークにより生成した。回転により
溶融金属小滴が放射状に噴霧化され、粉末状に固体化さ
れた。本発明のMHD噴霧装置で生成した粉末の粒度が、
市販装置による粉末粒度に近づいているることは明らか
である。装置をさらに改良することにより、匹敵できる
粒度範囲になるであろう。

例１−５に対するパラメータ及び結果を第１表に示す。

例１−５で生成した金属粒子の粒度分布を第６図に示
す。

第７図及び第８図に示す本発明の利点は、粒子の形状に
関連する。第７図は、従来のガス噴霧法により生成した
Ni₃Al粉末を示す。第７図に示したように、従来のガス
噴霧法では一般に球状粒子を生成する。球状粒子は、次
の粉末治金工程にとって最も好ましくない形状の一つで
ある。第７図と対照的に、第８図は、本発明により噴霧
化した後の合金（すなわち低融点合金）を示す。生成し
た粒子は各種の形状を有するが、球状粒子がないことは
特に注目すべきである。第７図及び第８図に示す粉末
は、100メッシュのふるい（米国標準ふるい、孔寸法149
um）を通過した。本発明により得られた不規則な形状の
粒子は、次の処理にとってずっと好適なものである。発
明の効果本発明は、溶融金属の噴霧及び堆積に広く用いられ、大
量の高圧ガスを必要としない。実際、本発明は真空中で
実施できる。本発明は高電圧も必要とせず、例えば、電
流2kw位の中程度の電力要件で操作できるが、適切な場
合には高電力でも使用できる。電力要件が中程度で高圧
ガスを必要としないことにより、本発明は経済的に行え
る。室温超伝導体が商業的に実現される場合には、超伝
導磁石で供給される遥かに強力なＢ磁界により、本方法
におけるＪ電流要件、従ってアーク放電要件が低減され
るであろう。

本発明は真空中で操作できるので、ガスによる汚染、ガ
スの吸収又は捕捉なしに、反応性金属及び合金を噴霧化
することができる。本発明は、Al及びFeのような、溶融
可能なものであれば、いかなる種類の金属又は金属合金
とでも共に用いることができる。Be及びSeのような毒性
材料及びZr及びTiのような発火材料を噴霧化することが
できる。

上記により、当業者は、本発明の重要な特徴を容易に確
認することが可能で、本発明の趣旨及び範囲から逸れる
ことなく、各種の用途及び条件に適合させるために本発
明の各種の改変を行うことができる。

図面の簡単な説明第１図は、直流電流、磁束及び溶融金属粒子を推進する
指向力間の関係を示す線図である。

第2A、2B、2C及び2D図は、本発明を用いたノズル及び本
発明の作用を示す略図である。

第３図は、本発明による他の噴霧ノズルの略図である。

第４図は、従来の電気ガス式アーク・噴霧装置を示す。

第５図は、本発明による磁気流体・電気式アーク・噴霧
装置を示す。

第６図は、本発明により得られる金属粒子の粒度分布を
示す。

第７図は、従来のガス噴霧法で生成したNi₃Al粉末を示
す。

第８図は、本発明により生成した金属粒子を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者シカ，ビノドクマーアメリカ合衆国、テネシー州 37716、クリントン、ボックス 309Ａ52、ルート３

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の電極を隔置して設け、該電極間に溶
融金属供給物を受容するための開口領域を定めるように
し、該電極と接触して該領域に溶融金属を与え、それにより
該電極間に電流路を形成し、該領域を通る電流のために該電流路に垂直な方向に該領
域を通る磁界を与え、該電極及び該領域内の該溶融金属を通して電流を流し、
該領域内の該溶融金属を該電流流路及び該磁界に垂直な
方向に加速する磁気流体を発生させ、それにより該溶融
金属供給物を該領域から流出させて微細な微粒子状小滴
を分散させるようにすることから成り、該磁界及び該電
流の方向を該溶融金属供給物を所望の方向に加速するよ
うに選択する、微細な微粒子状溶融金属を管理した状態
で噴霧する方法。
【請求項２】溶融金属を受容するための前記開口領域が
ノズルである、請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項３】前記ノズルが、互いに隔置された２本の供
給管を有し、該供給管を通して溶融金属を前記領域へ運
び、該供給管を通して電流を流すようにする、請求の範
囲第２項記載の方法。
【請求項４】前記２本の供給管が互いに相対して設けら
れる開口端を有し、前記開口端領域が該開口端間の間隙
により定められ、前記溶融金属供給物が前記供給管から
前記間隙へ流れ、該間隙で各流れが互いに接触する、請
求の範囲第３項記載の方法。
【請求項５】前記溶融金属供給物が前記領域内へ前進す
る固体ワイヤにより供給されると共に、該ワイヤ間に電
気アークを維持して該固体ワイヤを溶融させるようにす
る、請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項６】隔置された複数の電極であって、該電極間
に溶融金属供給物を受容するための開口領域を定める電
極と、該領域内に溶融金属供給物の流れを与える装置と、該領域内の該溶融金属を通して電流を流すための該電極
を含む装置と、該領域を通る電流の流れに垂直な方向に沿って該領域を
通る磁界を与える装置であって、該電流の流れ及び該磁
界に垂直な方向に該領域内の該溶融金属を加速する、磁
気流体力を発生させるための装置とから成り、それによ
り該溶融金属供給物を該領域から流出させて微細の微粒
子状小滴に分散させ、該磁界及び該電流の方向を、該溶
融金属供給物を所望の方向に加速するように選択する、
微粒子溶融金属を管理状態で噴霧する装置。
【請求項７】溶融金属を受容するための前記開口領域が
ノズルである、請求の範囲第６項記載の装置。
【請求項８】前記ノズルが、互いに隔置された２本の供
給管を有し、該供給管を通して溶融金属供給物を前記領
域へ運び、該供給管を通して電流を流すようにする、請
求の範囲第７項記載の装置。
【請求項９】前記溶融金属電流を前記領域へ供給する装
置が、固体金属ワイヤと、該固体金属ワイヤを該領域内
へ前進させると共に該ワイヤ間に電気アークを維持して
該固体ワイヤを溶融させる装置とを有する、請求の範囲
第６項記載の装置。